Modüler Aritmetik Muharrem Şahin 4.5 – Modüler Aritmetik
4.5.1 – Tam Sayıların Bir Modüle Göre Denkliği
Etkinlik – 4.145
Aşağıdaki problemleri çözünüz.
a. Saatin 17 olduğu andan 153 saat sonra saat kaç olur?
b. Bir salı gününden 45 gün sonra, günlerden ne olur?
c. Dört günde bir nöbet tutacak olan bir doktor ilk nöbetini çarşamba günü tutarsa, 9. nöbe- tini hangi gün tutar?
d. 797 sayısı rakamları ile yazılsa, birler basama- ğı kaç olur?
Etkinlik–4.145’teki problemler, bir tam sayının bir sayma sayısıyla bölünmesindeki kalanın, bu tam sayı yerine konulabildiği durumlarla ilgilidir.
Örneğin; pazartesi gününden 17 gün sonrası ile 3 gün sonrası aynı gündür. (17 ) Saatin 7 2 3 13 olduğu andan 86 saat sonra da, 14 saat sonra da saat 3’ü gösterir. ( 8624 3 14)
Bu bölümde, kalanların aritmetiğinin kurallarını ortaya koyacağız. Bu yeni aritmetik, Etkinlik–
1.145’teki türden problemlerin çözümlerini kolay- laştıracağı gibi, bize yeni matematiksel olanaklar da sağlayacaktır.
Teorem – 4.64
+
m Z
olmak üzere; tam sayılarda,
x, y x ile y, m ile bölündüğünde aynı kalanı verirler.
bağıntısı bir denklik bağıntısıdır.
Gerçekten;
x Z
için x, x olacağından yansıyandır.
x, y
için y, x olacağından simet- riktir.
x, y
ve
y, x için
x, z olacağın-
dan geçişkendir.
Öyleyse; bir denklik bağıntısıdır.
bir denklik bağıntısı ve
x, y ise x
y denildiğini biliyorsunuz.Tanım – 4.31
a ve b tam sayıları, modül adı verilen bir m
sayma sayısına bölündüklerinde aynı kalanı veriyorlarsa, m modülüne göre; a, b’ye denk-
tir, denir.Bu denklik,
ab (mod m)biçiminde gösterilir;
a denk b modülo m diye okunur.
Örneğin; 14 ve 22 tam sayılarının 6 ile bölün- mesindeki kalanlar aynı olup 2’dir.
( 22 4 62) Öyleyse; 14 ve 22 sayıları 6 modülüne göre denktirler. 14 22 mod 6
yazılabilir.Teorem – 4.65
a ve b tam sayılarının m sayma sayısı ile
bölünmesinde kalanların aynı olması için gerekli ve yeterli koşul,
ab’nin m ile bölünmesidir.
Etkinlik – 4.146
Teorem – 4.65’i ispatlayınız.
Teorem–4.64, Tanım–4.31 ve Teorem–4.65’ ten şu sonuçlar çıkarılır:
1 Bir a tam sayısı bir m sayma sayısına bö- lünüyorsa; a sayısı m modülüne göre sıfıra denktir.
m aa0 mod m dir.
Örneğin; 210 mod 7 dir.
2 Bir a tam sayısının bir m sayma sayısına bö- lünmesinde kalan r ise, a sayısı m modülüne göre r’ye denktir. a, k, r Z ve mZ ol- mak üzere,
am k r ve 0rmise ar mod m dir.
Örneğin; 353 mod 8 dir. 35=4 8+3
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
3 a, b Z ve mZ olmak üzere,
ab mod m ab0 mod m dir.
Örnek – 4.85
a. 2311 (mod 3) b. 2311 (mod 5) c. 4732 (mod 5) d. 18 6 (mod 6) e. 53 42 (mod 19) f. 27 0 (mod 9)
Teorem – 4.66
Aynı modüllü denklikler taraf tarafa toplanır, çıkarılır ya da çarpılırsa aynı modüllü denklikler elde edilir.
Teorem – 4.66’nın sembollerle ifadesi şöyledir:
1 ab (mod m) ve c d (mod m) acbd (mod m)
’dir.
2 ab (mod m) ve cd (mod m) a cb d (mod m)
’dir.
3 ab (mod m) ve cd (mod m) a cb d (mod m)
’dir.
Etkinlik – 4.147
Teorem – 4.66’yı ispatlayınız.
Teorem – 4.66’dan şu sonuçlar çıkarılır:
1 Bir modüle göre denkliğin iki tarafına, aynı tam sayı eklenir ya da çıkarılırsa denklik bozulmaz.
ab mod m ve kZ
a k b k mod m
olur.
k k mod m olduğundan
2 Bir modüle göre denkliğin iki tarafı aynı tam sayı ile çarpılırsa denklik bozulmaz.
ab mod m ve kZ
a k b k mod m
olur.
k k mod m olduğundan
3 Bir modüle göre denkliğin bir tarafına modü- lün tam katları eklenirse ya da çıkarılırsa denklik bozulmaz.
ab mod m ve cZ
a m c b mod m
olur.
m c 0 mod m olduğundan
4 Her nN için,
ab mod m ise an bn
mod m
dir.
ab mod m denkliği alt alta n kere yazılır ve bu denklikler taraf tarafa çarpılırsa,
n n
a b mod m denkliği elde edilir.
Örnek – 4.86
1587nin 4 ile bölünmesinde kalan kaçtır?
Çözüm
1587 nin 4 modülüne göre dengini bulacağız.
153 mod 4
87 87
15 3 mod 4
olur.
33 mod 4
32 9 mod 4
(Teo. 4.66; sonuç 4)
32 1 mod 4
32 43 143 mod 4
(Teo. 4.66; sonuç 4)
386 1 mod 4
3 386 3 1 mod 4
(Teo. 4.66; sonuç 2)
387 3 mod 4
1587 3 mod 4
bulunur.
Bir tam sayının büyük kuvvetlerinin bir mo- düle göre dengini bulmak için; bu sayının önce 1, 0 ya da ’e denk olan kuvveti (varsa) 1 bulunur. 1, 0 ve sayıları büyük kuvvete 1 ulaşmada kolaylık sağlarlar.
Örnek – 4.87
777nin 11 ile bölünmesinde kalan kaçtır?
Çözüm
77 mod 11
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
72 5 mod 11
73 2 mod 11
3 2
7 7 2 5 mod 11
75 1 mod 11
7515
115 mod 11
775 1 mod 11
75 2
7 7 1 5 mod 11
777 5 mod 11
777 6 mod 11
777 nin 11 ile bölünmesinde kalan 6’dır.
Örnek – 4.88
554554 sayısı onluk sistemde yazılırsa, birler basamağındaki rakam kaç olur?
Çözüm
Onluk sayma sisteminde bir sayının birler basamağındaki rakam, o sayının 10 ile bölünme- sindeki kalandır.
554 4 mod 10
554 554
554 4 mod 10
olur.
44 mod 10
426 mod 10
434 mod 10
44 6 mod 10
Görüldüğü gibi; 10 modülüne göre 4’ün tek kuvvetleri 4’e, çift kuvvetleri 6’ya denk olmak- tadır.
O hâlde;
4554 6 mod 10
554554 6 mod 10
bulunur.
Örnek – 4.89
mZ olmak üzere, 626 mod m
denkliğini sağlayan m değerlerini bulunuz.
Çözüm
626 mod m ise m 62
6
dır.m 56 ve mZ ise m değerlerinin kümesi
1,2, 4,7, 8,14,28,56
olur.Örnek – 4.90
43x3113 mod 11 denkliğini sağlayan üç basamaklı en küçük x pozitif tam sayısını bulu- nuz.
Çözüm
43x3113 mod 11
10x 9 2 mod 11
10x 7 0 mod 11
x 7 mod 11
olur.
x sayıları 711k k
Z
biçimindedir.711k100 11k 93
k 9
olacağından üç basamaklı en küçük x tam sayısı, x711 9 x106 olur.
Örnek – 4.91
23x3 mod 7 denkliğini sağlayan iki basamaklı en büyük x tam sayısını bulunuz.
Çözüm
232 mod 7 olduğundan 23x 2 mod 7x
olur.
0
2
2 1 mod 7 2 2 mod 7 2 4 mod 7
231 mod 7 olur.
. .
.
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
2’nin 23’ten sonra gelen ardışık pozitif tam kuvvetleri, 7 modülüne göre 2, 4 ve 1’e periyodik olarak denk olacaklardır. Öyleyse,
23x3 mod 7 denkliğini sağlayan bir xZ yoktur.
Etkinlik – 4.148
a. 4774ün 7 ile bölünmesinde kalan kaçtır?
b. 887 nin 6 ile bölünmesinde kalan kaçtır?
c. 11135 in 13 ile bölünmesinde kalan kaçtır?
d. 10279 un 17 ile bölünmesinde kalan kaçtır?
e. 2006200720072006 toplamı 10’luk sayma düzeninde yazılsa birler basamağı kaç olur?
f. 23 83 8337 73 73 toplamının 11 ile bölü- mündeki kalan kaçtır?
Etkinlik – 4.149
Etkinlik – 4.145’te çözdüğünüz problemleri, bir de modül kavramı ile çözünüz.
Bir modüle göre denkliğin iki tarafı bir tam sayı ile bölündüğünde denklik bozulabilir.
Örneğin; 9 4 7 4 mod 8
olduğu hâlde
97 mod8 dir.
Teorem – 4.67, hangi durumlarda bir modüle göre denkliğin bir tam sayı ile bölünebileceğini ortaya koyar.
Teorem – 4.67
a, b,
xZ; x
0 ve m
Z olmak üzere,
a x b x mod m ve
OBEB x m
,
dise
m
a b mod
d dir.
Örneğin; 12 a 12 b mod 20
ise,
OBEB 12,20 4 olduğundan
12 12 20
a b mod 3a 3b mod5
4 4 4
dir.
OBEB 3,5 1 olduğundan
a b mod 5
olur.
Etkinlik – 4.150
Teorem – 4.67’yi ispatlayınız.
Teorem – 4.67’den şu sonuç çıkarılır.
“a, b, xZ; x 0; m Z ve x ile m aralarında asal olmak üzere,
a x b x mod m ise a b mod m dir . “
Örneğin; 12 a 6b mod 25
ise 2 a b mod 25
olur.Bu sonuca dayanarak da şunu söyleyebiliriz:
m asal ise, m modülüne göre denkliğin iki tarafı bunları bölen her tam sayı ile bölü- nebilir.
Teorem – 4.68
a
b mod m denkliğinde a, b ve m sayıları bunları bölen bir pozitif tam sayı ile bölün- düğünde ya da bir pozitif tam sayı ile çarpıl- dığında denklik bozulmaz.
Örneğin; 6x12 mod 24
denkliği
3x 6 mod 12 ; 2x 4 mod 8 ; x 2 mod 4 ; 12x 24 mod 48 ;
…
denkliklerini çift gerektirir.
Etkinlik – 4.151
Teorem – 4.68’i ispatlayınız.
Teorem – 4.67 ve Teorem – 4.68 modüler denklemlerin çözümünde işimizi kolaylaştıracak- tır.
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin Kalan Sınıfları
Etkinlik – 4.152
Tam sayılarda,
x, y x
y, 5 ile bölünür.
bağıntısının bir denklik bağıntısı olduğunu gösteri- niz.
Etkinlik – 4.152’de verilen bağıntı
x, y x ile y 'nin 5 ile bölünme sin de
kalanlar aynıdır.
biçiminde yazılabilir. (Teorem – 4.65)
Bir tam sayının 5 ile bölünmesinde kalan 0, 1, 2, 3 ya da 4’tür. Öte yandan, bir denklik ba- ğıntısıdır.
0,5 ve
5,10 olduğundan
0510 mod 5 olur.
Böyle denklik zincirleri en uzun biçimiyle yazılır- sa, tam sayılar aşağıdaki denklik sınıflarına ayrı- lır:
0 5 10 ... 5 10 ... mod 5 1 6 11 ... 4 9 ... mod 5 2 7 12 ... 3 8 ... mod 5 3 8 13 ... 2 7 ... mod 5 4 9 14 ... 1 6 ... mod 5
Sıfıra denk olan sayıların kümesi 0 , 1’e denk olan sayıların kümesi 1 , … ile gösterilirse,
0 0,5,10,15,..., 5, 10, 15,... ; 1 1,6,11,16,..., 4, 9, 14,... ; 2 2,7,12,17,..., 3, 8, 13,... ; 3 3,8,13,18,..., 2, 7, 12,... ; 4 4, 9,14,19,..., 1, 6, 11,... olur.
0, 1, 2, 3, 4 kümelerinden her birine Z’nin 5 modülüne göre kalan sınıfı denir.
Bu kalan sınıflarının kümesi “ Z/5 ” ile gösterilir ve “Z bölü 5 ” diye okunur.
Buna göre,
Z / 2 0,1 , Z / 3 0,1,2 , Z / 4 0,1,2,3 , … olur.
Tanım – 4.32
m, 1’den büyük bir tam sayı olmak üzere; m ile bölündüğünde aynı r kalanını veren tam sayıların kümesine, r’nin m modülüne göre kalan sınıfı denir.
Bir tam sayının m ile bölünmesinde kalan 0, 1, 2, 3, …, m2 ya da m 1 ’dir.
Demek ki; m modülüne göre m tane kalan sınıfı vardır.
0’ın kalan sınıfı 0 , 1’in kalan sınıfı 1 ,
m 1 ’in kalan sınıfı m 1 ile gösterilir.
Tanım – 4.33
m modülüne göre kalan sınıflarının oluşturduğu kümeye m’nin kalan sınıfları kümesi denir.
Bu küme “
Z/m” ile gösterilir ve “Z bölü m” diye okunur.
Z/m 0,1,2, 3,..., m1 dir.
Genellikle, her denklik sınıfı o sınıfın negatif olmayan en küçük elemanı ile temsil edilerek, Z/m kümeleri şöyle gösterilirler:
Z / 2 0,1 , Z / 3 0,1,2 ,
Z / 4 0,1,2,3 , Z / 5 0,1,2,3, 4 ,...
Z / m 0,1,2,3, 4,..., m 1
Z/m kümesinin elemanları ikişer ikişer ayrık kü- melerdir. Birleşimleri Z’dir.
012...m1 Z
. .
.
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin 4.5.2 – Modüler Aritmetik
Z/m de Toplama ve Çarpma
Tanım – 4.34
Z/m kümesinde iki kalan sınıfının toplamı, bu kalan sınıflarından seçilmiş iki tam sayının toplamının kalan sınıfıdır.
Toplamı bulma işlemi “” sembolü ile gösterilir.
, /
a bZ m
için, a b a b dir.
Örneğin, Z/7’de
454592 olur.
Teorem – 4.69
1
Z/m kümesi toplama işlemine göre kapalıdır.
2
Z/m de toplama işleminin birleşme özeliği vardır.
3
Z/m de toplama işleminin değişme özeliği vardır.
4
Z/m de toplama işlemine göre etkisiz ele-
man vardır ve bu 0dır.
5
Z/m de her elemanın toplama işlemine göre
tersi vardır.a nın tersi a , a ya da m a ile gösterilir.
Etkinlik – 4.153
Teorem – 4.69’u ispatlayınız.
Örnek – 4.92
Toplama işleminin özeliklerinden yararlanarak, Z/7 de 4x2 denklemini çözelim:
4 ün toplama işlemine göre tersi 3 tür. Eşitli- ğin iki tarafına ekleyelim.
4 x 2
3 4 x 3 2 (TS) 3 4 x 5 (Birleşme öz.) x 5 bulunur. 3 4 0, 0 x x
4x2 denklemi, aynı anlama gelmek üzere, 4x2 biçiminde yazılabilir:
Z/7 de 4x2
4 x 2
3 4 x 3 2
3 4 x 5
x 5
Denklem aşağıdaki gibi de çözülebilir:
Z/7 de, 4x2
4 x 2 mod7 x 2 4 mod7 x 2 mod7 x 2 7 mod7 x 5 mod7
Tanım – 4.35
Z/m kümesinde iki kalan sınıfının çarpımı, bu kalan sınıflarından seçilmiş iki tam sayının çarpı- mının kalan sınıfıdır.
Çarpımı bulma işlemi “
” sembolü ile gösterilir.
, /
a bZ m
için, a
b a b dir.
Örneğin, Z/5’te
343 4 122 olur.
Teorem – 4.70
1
Z/m kümesi çarpma işlemine göre kapalıdır.
2
Z/m de çarpma işleminin değişme özeliği vardır.
3
Z/m de çarpma işleminin birleşme özeliği vardır.
4
Z/m de çarpma işlemine göre etkisiz ele-
man vardır ve bu 1dir.
5
Z/m de çarpma işlemine göre yutan eleman vardır ve bu
0dır.
6
Z/m de çarpma işleminin toplama işlemi üze-
rine dağılma özeliği vardır.
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
Etkinlik – 4.154
Teorem – 4.70’i ispatlayınız.
Etkinlik – 4.155
Z/5 ve Z/6 kümelerinde, aşağıda verilen toplam ve çarpım tablolarını tamamlayınız.
İşlem tablolarından yararlanarak;
a. Z/5 ve Z/6 kümelerinin elemanlarının toplama ve çarpma işlemlerine göre terslerini (varsa) bulunuz.
b. Z/6 da, 43
52
34 işlemini yapınız.c. Z/5 te, 2x34 denkleminin çözüm kümesi- ni bulunuz.
d. Z/6 da, 3x52 denkleminin çözüm küme- sini bulunuz.
(İşlem tablolarında ve denklemlerde gördüğü- nüz her a sayısının a anlamında olduğunu unutmayınız.)
Teorem – 4.71
a ve m aralarında asal olmak üzere, Z/m de
a
b a
c b c dir.
Etkinlik – 4.156
Teorem – 4.71’i ispatlayınız.
Teorem – 4.70’ten şu sonuçlar çıkarılır:
1 a ve m aralarında asal olmak üzere, Z/m deki çarpım tablosunda a nın satırında –sıra
gözetilmeksizin– 0,1,2,...,m 1 elemanları bulunur.
Gerçekten; Z/m kümesi çarpma işlemine gö- re kapalı olup a nın, farklı b ile c sayıları ile çarpımları farklı olacağından a0 satırında Z/m in m tane elamanı bulunacaktır.
2 a ve m aralarında asal ise Z/m in her a elemanının çarpma işlemine göre tersi vardır.
Gerçekten; Z/m deki çarpım tablosunda a nın satırında 1 bulunacağından ax1 ola- cak biçimde bir x Z/m vardır.
“ ” işleminin değişme özeliği olduğundan axxa1 olur.
Buna göre; xa1 dir.
3 a ve m aralarında asal ise a,bZ için axb denkleminin yalnız bir çözümü var- dır.
Gerçekten; Z/m de axb
1 1
1
a a x a b
x a b olur.
ax b x a 1 b dir.
Örnek – 4.93
Z/7 de, 3x24 denkleminin çözüm kü- mesini bulunuz.
Çözüm
Z/7 de, 3x24
1
3 x 2 5 4 5 2 5 3 x 2 2 5 0 5 3 x 5 2 3 5 x 3 5 3 1 Ç 3 bulunur.
Z/m de
2 3
a a a
a a a a
.
.
0 1 2 3 44 3 2 1 0
2 3 4 0 1
4 3 2 1 0
2 3 4 0 1 0 1 2 3 4
5 0 1 2 3 4
4 3 2 1 0
5
3 4 5 0 1 2
5 0 1 2 3 4
4 3 2 1 0
5 2 4 0 0
4 2
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
n n tan e
a a ... aa
dir.
x 2 a ise x e a nın karekökü, x 3 a ise x e a nın küpkökü denir.
Etkinlik – 4.157
Z/7 de toplam ve çarpım tablolarını yaparak aşağıdaki soruları yanıtlayınız.
a. Z/7 de, 3x65 ise x kaçtır?
b. Z/7 de, 4x30 ise x kaçtır?
c. Z/7 de karekökü olmayan sayıları bulunuz.
d. Z/7 de küpkökü olmayan sayıları bulunuz.
e. Z/7 de 3x221 denkleminin çözüm kü- mesini bulunuz.
f. Z/7 de 2x265 denkleminin çözüm kü- mesini bulunuz.
Teorem – 4.72
Z/m de,
ax b denkleminin kökünün olmasıiçin, b nin OBEB(a, m) ile bölünmesi gerekli ve ye- terlidir.
b nin OBEB(a, m) ile bölünmesi durumunda,
denklemin OBEB(a, m) tane farklı kökü bulunur.
Etkinlik – 4.158
Teorem – 4.72’yi ispatlayınız.
Örnek – 4.94
Z/10 kümesinde, aşağıdaki denklemlerin çö- züm kümelerini bulunuz.
a. 4x5 b. 6x4 c. 7x3 d. 5x5 e. 3x65 f. 2x84
Çözüm
Z/10 da, çarpım tablosunu yapalım. Böylece, Teorem – 4.72’ye dayanarak bulacağımız çözüm- leri tablodan da doğrulayabileceğiz.
a. 5, OBEB 4,10
2 ile bölünmez.Ç dir.
Gerçekten; çarpım tablosunda 4 satırında 5 yoktur. 4 ün hiçbir sayı ile çarpımı 5 i ver- mez.
b. 4 , OBEB 6,10
2 ile bölünür. Çözüm kümesi 2 elemanlıdır.Z/10 da 6x4
6x 4 mod 10
3x 2 mod 5 (Teorem 4.67) x 4 mod 5 olur.
Toplam 10’dan küçük kalacak biçimde, 4’e 5’in katları eklenirse, x14 ve x29 bulunur.
Ç 4,9 dir.
Gerçekten; çarpım tablosunda 6 satırında 4 ün bulunduğu sütunlar, 4 ve 9 sütunlarıdır.
64 4 ve 694 tür.
c. 3 , OBEB 7,10
1 ile bölünür. Çözüm kümesi 1 elemanlıdır.Z/10 da 7x3
x 9
olur. Ç
9 dir.Gerçekten; çarpım tablosundan 793 ol- duğu görülür.
d. 5 , OBEB 5,10
5 ile bölünür. Çözüm kümesi 5 elemanlıdır. Z/10 da 5x5
5x 5 mod 10 x 1 mod 2 olur.
.
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1
8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 2
7 4 1 8 5 2 9 6 3 0 3
6 2 8 4 0 6 2 8 4 0 4
5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5
4 8 2 6 0 4 8 2 6 0 6
3 6 9 2 5 8 1 4 7 0 7
2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 8
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 9
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
Toplam 10’dan küçük kalacak biçimde, 1’e 2’nin katları eklenirse x11, x23, x35, x4 7, x59 bulunur. Ç
1,3,5,7,9
dur.Gerçekten; çarpım tablosundan 515, 535, 555, 575 ve 595 olduğu görülür.
e. Z/10 da 3x65
3x 6 5 mod 10 3x 6 4 5 4 mod 10 3x 9 mod 10
OBEB 3,10 1 olduğundan çözüm kümesi 1 elemanlıdır.
3x 9 mod 10 x 3 mod 10 Ç 3 dir.
f. Z/10’da, 2x84
2x 8 4 mod 10 2x 6 mod 10
OBEB 2,10 2 olup çözüm kümesi 2 eleman- lıdır.
2x6 mod 10
1 2
x 3 mod 5 x 3 ve x 8 Ç 3,8 dir.
Etkinlik – 4.159
Aşağıdaki denklemlerin, önce çözüm kümele- rinin eleman sayılarını; sonra çözüm kümelerini bulunuz.
a. Z/4 te, 2x13 b. Z/7 de, 4x65 c. Z/8 de, 5x15 d. Z/9 da 3x64 e. Z/12 de 6x48 f. Z/15 de 5x94
Z/m de Çıkarma ve Bölme
Z/m de çıkarma işlemi Z’deki çıkarma işlemi gibi tanımlanır:
abc ise a ya, c nin b den farkı denir ve bu c ba ile gösterilir.
Örneğin; Z/8 de 653 olup 63 5 ve 53 6 dır.
c b c
b olduğu da tam sayılar kümesin- deki gibi ispatlanır. Buna göre; Z/m de çarpma işleminin çıkarma işlemi üzerine dağılma özeliği vardır. Z/m kümesi çıkarma işlemine göre kapa- lıdır.Örnek – 4.95
Aşağıdaki işlemleri yapınız.
a. Z/9 da, 6 8 b. Z/7 de, ( 3 6)4 c. Z/10 da, ( 7 9 ) 4
Çözüm
a. Z/9 da, 6 86
8
6 8
2 7
b. Z/7 de, ( 3 6)4 3
6 4
3 41
c. Z/10 da, ( 7 9 ) 47
9 4
2 46 4
Z/m de ab c
a b b c b
a c b
olur.
Demek ki, Z/m de bir eşitliğin bir yanındaki terim diğer yana işareti değiştirilerek geçirilir.
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
Örnek – 4.96
Aşağıdaki denklemleri çözünüz.
a. Z/7 de, 2 3x 5
b. Z/8 de, 3
5x 2
74Çözüm
a. Z/7 de, 2 3x 5
2 x 5 3
2 x 1
4 2 x 4 1
x 4
b. Z/8 de, 3
5x 2
7415 6 7x 4
7 x 4 6 7
7 x 1
7 7 x 7 1
x 7
Bunu bir de şöyle çözelim:
Z/8 de 3
5x 2
74
3 5 x 2 7 4 (mod 8)
15x 13 4 (mod 8)
15x 17 (mod 8)
x 1 (mod 8)
x 1 (mod 8)
x 7 (mod 8)
Z/m de bölme işlemini de tam sayılardaki gibi tanımlayacağız.
Z/m de axb eşitliğini sağlayan bir ve yalnız bir x sayısı varsa, x e b nin a ile bölümü denir ve bu b / a ya da b : a biçiminde gösterilir.
Teorem-4.72ye göre, Z/m de m ile a arala- rında asal iken axb denkleminin bir ve yalnız bir kökünün bulunduğunu biliyorsunuz.
Buna göre; m ile a aralarında asal ise b / a tanımlıdır.
Z/m de m ile a aralarında asal iken, bölme tanımına göre,
axbxba dır. (1) Teorem-4.70’e göre,
1 1
axb a a xa b x a1b
xba1 dir. (2)
(1) ve (2)’den, b 1
b a
a yazılır.
Örneğin,
Z/7 de 6 1
6 4 6 2 5
4
;
Z/8 de 3 1
3 5 3 5 7
5
;
Z/9 da 5 1
5 8 5 8 4
8
tür.
Z/m de m ile a aralarında asal değil iken, b sayısı OBEB(m,a) ile bölünmüyorsa denklemin kökü yoktur. Bu durumda b / a tanımsızdır. b sayısı OBEB(m,a) ile bölünüyorsa denklemin OBEB(m,a) tane kökü vardır. Bu durumda da b/ a belirsiz olur.
Örnekler verelim
Z/m de b0 iken 0xb denkleminin kökü olmadığından b0 için b / 0 tanımsızdır.
Yine Z/m de, her x için 0x0 denklemi sağ- lanacağından 0 / 0 belirsizdir.
Z/8 de 6x 4 denkleminde OBEB 8, 6
2 ve 2 4 olduğundan, denklemin iki kökü vardır.Bu durumda, 4 / 6 belirsizdir.
Gerçekten; 624 ve 664 olup 4 / 6 nın 2 ye mi, 6 ya mı eşit sayılacağı belli değildir.
Özetlersek; Z/m de a1 varsa, b nin a ya bölü- mü ba ba1 olarak tanımlıdır. a1 yoksa bölüm ya tanımsız ya da belirsiz olur.
Bunun sonucu olarak;
m asal ise; a 0 olmak üzere, Z/m in her a ve b değeri için b / a bölümü tanımlıdır.
Z/m
0 kümesi bölme işlemine göre kapa- lıdır.Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
Örnek – 4.97
Aşağıdaki ifadelerden hangileri tanımlı, hangi- leri tanımsız, hangileri belirsizdir?
a. Z/7 de, 5 / 3 b. Z/8 de, 4 / 2 c. Z/9 da, 2 / 3 d. Z/10 da 5 / 7
Çözüm
a. Z/7 de, 7 asal olduğundan
31 vardır ve 5/3 tanımlıdır.5 5 3 1 5 5 4 3
olur.
b. OBEB(2, 8) ve 2 4 olduğundan 42 2 iki değerlidir. Diğer bir deyişle; 4
2 belirsizdir.
c. OBEB(3,9)3 ve 2, 3’ü bölmediğinden 2
3 tanımsızdır.
d. 7 ile 10 aralarında asal olduğundan, Z/10 da 71 vardır ve 5 / 7 tanımlıdır.
5 5 7 1 5 3 5
7 olur.
Etkinlik – 4.160
a. Z/8 de 3x4y 5 eşitliğini sağlayan
x, y
ikililerinin kümesini yazınız.
b. Z/7 de 5x3y4 ise y’nin x türünden değe- rini bulunuz.
c. f : Z / 7Z / 7, f x
3x1 fonksiyonunun tersini bulunuz.d. f : Z / 5
2 Z / 5, f x
3x 2 x 2
fonksiyonu verildiğine göre; f 0
, f 1
, f 3
, f 4
de-ğerlerini bulunuz.
Fermat’ın Küçük Teoremi
Fransız matematikçisi Pierre de Fermat (1601- 1665), modern sayılar kuramının kurucusu olarak kabul edilir.
Teorem – 4.73
m asal olmak üzere, Z/m in sıfırdan farklı her a elemanı için
a
m 1 1 (mod m) dir.
Örneğin; 610 1 mod 11
, 9121 mod 13
,
2416 1 mod 17 , … olur.
Etkinlik – 4.161
Fermat’ın küçük teoremini ispatlayınız.
Fermat’ın büyük teoremi “x, y, z, n N ve n2 olmak üzere,
n n n
x y z eşitliği sağlanamaz.” teoremidir.
Etkinlik – 4.162
a. 5123 ün 11 ile bölünmesinde kalan kaçtır?
b. 15143 ün 17 ile bölünmesinde kalan kaçtır?
c. 2890 ın 23 ile bölünmesinde kalan kaçtır?
4.5.3 – Bölünebilme Kuralları
Bölünebilme kurallarından bazılarını kalanlı böl- me tanımından yararlanarak ortaya koymuştuk.
Bazı bölünebilme kurallarını da bölünebilme kıs- mında vermiş, ancak ispatlamakta zorlanmıştık.
Burada bölünebilme kurallarını modüler aritmetik yöntemleriyle ele alacağız.
Örnek – 4.98
7 ile bölünebilme kuralını bulunuz.
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
Çözüm
10 tabanındaki a doğal sayısı
n n 1 5 4 3 2 1 0 10
a a a ...a a a a a a
2 3 n
0 1 2 3 n
a 1 a 10 a 10 a 10 a ... 10 a
dir.
0 0
1a 1 a mod 7
1 1
10 a 3a mod 7
2
2 2
10 a 2a mod 7
3
3 3
10 a 1a mod 7
4
4 4
10 a 3a mod 7
5
5 5
10 a 2a mod 7
6
6 6
10 a 1a mod 7
…
Yukarıdaki denklikler taraf tarafa toplanırsa;
0 1 2 3 4 5
a1a 3a 2a 1a 3a 2a ... (mod7) elde edilir.
Demek ki; a’nın 7 ile bölünmesinden elde edilen kalan ile, a’nın rakamlarının birler basamağından başlanarak sıra ile 1,3,2, 1, 3, 2,1,... sayıları ile çarpımlarının toplamının 7 ile bölünmesindeki kalan aynı olacaktır.
Etkinlik – 4.163
a. 3 ile bölünebilme kuralını bulunuz.
b. 4 ile bölünebilme kuralını bulunuz.
c. 9 ile bölünebilme kuralını bulunuz.
d. 11 ile bölünebilme kuralını bulunuz.
e. 13 ile bölünebilme kuralını bulunuz.
f. 17 ile bölünebilme kuralını bulunuz.
Etkinlik – 4.164
“
Verilen bir doğal sayının birler basamağı ayrılıp bu basamaktaki rakam 4 ile çarpılarak geride kalan sayıya eklendiğinde elde edilen sayı 13 ile bölünüyorsa, verilen sayı da 13 ile bölünür
.“İspatlayınız.
Bundan yararlanarak;
a. 2345654 sayısının 13 ile bölünmesindeki ka- lanı bulunuz.
b. 17 ile bölünebilme kuralını bulunuz.
c. 19 ile bölünebilme kuralını bulunuz.
d. 23 ile bölünebilme kuralını bulunuz.
4.5.4 – Modüler Aritmetiğin Diofant Denklemlerine Uygulanması
Birden çok bilinmeyenli denklemlerin tam sayı çözümlerinin incelendiği denklemlere –Eski Yu- nanlı metamatikçi Diophantos’un anısına– Dio- fant denklemleri denir.
Örneğin; “19x13y5
denklemini sağlayan iki basamaklı en büyük x sayısı kaçtır
?” türünden so- rularla sık sık karşılaşırsınız. Böyle soruların mo- düler aritmetik yöntemleri ile çözümleri oldukça kolaydır.Görelim:
Örnek – 4.99
19x13y5 denklemini sağlayan
x, y
tamsayı ikililerinin kümesini bulunuz.
Çözüm
Denklemi, x’in ya da y’nin kat sayısını sıfır ya- pan bir modüle göre çözeceğiz.
19x13y5
19x 13y 5 mod 13 6x 5 mod 13 x 5 mod 13
6 5 13
x mod 13
6
x 3 mod13
bulunur.
Buna göre, x’in tam sayı değerleri
x3 13k k Z biçimindedir. Bu değer verilen denklemde yerine konulursa
19 3
13k
13y557 19 13k 13y 5 52 19 13k 13y 0
4 19k y 0
y 4 19k
bulunur.
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
Denklemin tam sayı ikililerinden oluşan çözüm kümesi
Ç x, y x313k, y 4 19k, kZ olur.
Örneğin;
3, 4 , 16, 21 ,
10,15 ,...
ikilileri birer çözümdür.Örnek – 4.100
231x36y19 denkleminin tam sayı çözüm- lerini bulunuz.
Çözüm
I. yol
12 modülüne göre hesap yapalım:
231x36y19
231x 36y 19 mod 12
3x 7 mod 12
bulunur.
OBEB 3,12 3 olup 7, 3 ile bölünmez.
Denklemi sağlayan hiçbir
x, y
tam sayı ikilisi yoktur.II. yol
231 ve 36 sayıları 3 ile bölünür, ancak 19 bölünmez.
231x36y19
3 77x 12y 19
olup hiç bir
x, y
tam sayıikilisi için eşitlik sağlanamaz.
Etkinlik – 4.165
Aşağıdaki denklemlerin tam sayılardaki çözüm kümelerini yazınız. Çözümlere örnekler veriniz.
a. 108x34y96 b. 12x17y30 c. 9x4y 15
Etkinlik – 4.166
x y z 30 2x 5y 3z 50
Denklem sisteminin pozitif tam sayı çözüm- lerinin kümesini yazınız.
4.5.5 – Çin Kalan Teoremi
“
Bir sepetteki yumurtalar 3’er 3’er sayıldığında 2, 4’er 4’er sayıldığında 3, 5’er 5’er sayıldığında 1 yumurta artmaktadır.
Sepette kaç yumurta olabilir
?” problemini ele alalım.Problemin; modüler aritmetik diliyle,
“x2 mod 3
x 3 mod 4 x 1 mod 5
denkliklerini aynı zamanda sağlayan x sayı- larını bulunuz
.” anlamında olduğu açıktır.Burada 3, 4 ve 5’in ikişer ikişer aralarında asal olduklarına dikkat ediniz.
8013536 toplamı problemin bir çözümüdür.
Şöyle ki;
80’in 3 ile bölünmesinde kalan 2’dir. 135 ve 36, 3’e bölünür. Bunların 3 ile bölünmesinde kalanlar sıfır olur.
135’in 4 ile bölünmesinde kalan 3’tür. 80 ve 36 nın 4 ile bölünmesinde kalanlar sıfır olur.
36’nın 5 ile bölünmesinde kalan 1’dir. 80 ve 135’in 5 ile bölünmesinde kalanlar sıfır olur.
Buna göre; 80 135 36 toplamı 3 ile bölündü- ğünde 2, 4 ile bölündüğünde 3, 5 ile bölündüğün- de 1 kalanını verir. Öyleyse; bu toplam problemin bir çözümüdür.
Bu toplama, OKEK 3, 4,5
60’ın katlarını ekle- yip çıkararak diğer çözümleri elde ederiz. Buna göre; x8013536 mod60
denkliğini yaza- biliriz.Şimdi 80, 135 ve 36 gibi sayıları nasıl bulabile- ceğimizi araştıralım:
80; 4 ve 5’in (ya da 4 5 ’in), 3 ile bölündüğün- de 2 kalanını veren bir katıdır.
135; 3 ve 5’in ( ya da 3 5 ’in), 4 ile bölündü- ğünde 3 kalanını veren bir katıdır.
36; 3 ve 4’ün (ya da 3 4 ’ün), 5 ile bölündü- ğünde 1 kalanını veren bir katıdır.
Demek ki; örneğin 80 sayısını bulmak için, 4 5 in, 3 ile bölündüğünde 2 kalanını veren bir katını aramalıymışız. Bunu deneme-yanılma yoluyla ya- parız.
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
8013536 toplamındaki terimleri daha ay- rıntılı inceleyelim:
80 sayısı, 4 ve 5 modül sayılarının bir katı oldu- ğu gibi, x2 mod3
denkliğindeki 2’nin de bir katıdır.Demek ki; 80 ya da bunun yerine alacağımız sayılar 4 5
? 2 biçiminde olmalıdır.Verdiğimiz toplam her üç denkliği de sağlaya- cağına göre, ilk denkliği de sağlar.
4 5
? 213536 2 mod 3
4 5 ? 2 2 mod 3
4 5 ? 1 mod 3
bulunur.
Burada “?” işareti yerine 2, 5, 8, … konulabilir.
80 sayısını elde etmek için (2) konulmuştur.
Aynı şekilde;
135 ya da bunun yerine alınacak sayılar
3 5 ? 3 biçiminde;
3 5 ? 1 mod 4
36 ya da bunun yerine alınacak sayılar
3 4 ? 1 biçiminde
3 4 ? 1 mod 5
olmalıdır.
Bu çözümlemelere dayanarak, 3 denklikten olu- şan bir sistemin çözümünü aşağıdaki gibi genel- leştirebiliriz:
1 2 3
m , m , m ikişer ikişer aralarında asal olmak üzere,
1 1
2 2
3 3
x a mod m x a mod m x a mod m
sisteminin çözümü,
2 3 1 1
1 3 2 2
1 2 3 3
m m x 1 mod m m m x 1 mod m m m x 1 mod m
olmak üzere,
2 3 1 1 1 3 2 2 1 2 3 3
xm m x a m m x a m m x a
mod m1m2m3
tür.İfadeyi sadeleştirmek için
1 2 3
m m m m diyelim.
2 3 1 3 1 2
1 2 3
m m m
m m , m m , m m
m m m
olur.
Buna göre,
1 1 2 2 3 3
1 2 3
m m m
x x a x a x a mod m
m m m
bulunur.
Bu son çözümü de k tane denklikten oluşan bir sistem için genelleştirebiliriz:
Teorem – 4.74 (Çin Kalan Teoremi)
1, 2, ..., k
m m m ikişer ikişer aralarında asal iken
1 1
2 2
x a mod m x a mod m
k k
x a mod m
sisteminin bir çözümü vardır.
1 2 k 1 1
1
... m
m m m m, x 1 mod m
m
2 2 k k
2 k
m ... m
x 1 mod m , , x 1 mod m
m m
olmak üzere
1
1 1 2 2 k k
2 k
m m m
x x a x a ... x a
m m m
mod m
dir.
Örnek – 4.101
x 3 mod 4 x 2 mod 5 x 4 mod 7
denkliklerini aynı zamanda sağlayan pozitif x tam sayılarını bulunuz.
Çözüm
I. yol
Çin Kalan Teoremi’nde ifade edilen çözümden yararlanalım:
1 1 2 2 3 3
a 3, m 4, a 2, m 5, a 4, m 7 dir.
1 1
5 7 x 1 mod 4 x 3 mod 4 . .
.
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
2 2
4 7 x 1 mod 5 x 2 mod 5
3 3
4 5 x 1 mod 7 x 6 mod 7 olur.
Buna göre,
x 5 7 3 3 4 7 2 2 4 5 6 4 mod 140 x 907 mod 140
x 67 mod 140
bulunur.
Denklikleri sağlayan pozitif x tam sayıları
x67140 k k N biçimindedir.
II. yol
1 . x3 mod 4
2 . x2 mod 5
3 . x4 mod 7
1 ‘den x34k k
Z
yazılabilir.Bu değer 2 ‘de yerine konulursa
3 4k 2 mod 5 k 1 mod 5
k 1 5p
bulunur.
pZ
x 3 4k x 3 4 1 5p
x 7 20p
olur.
Bu değer de 3 ‘te yerine konulursa,
7 20p 4 mod 7 p 3 mod 7
p 3 7t
bulunur.
tZ
x 7 20p x 7 20 3 7t x 67 140t
x 67 mod 140
olur.
!
Bu yöntemi, modüllerin ikişer ikişer aralarında asal olmadığı durumlarda da kullanabiliriz.III. yol (Kalanları eşitleme yöntemi) Çin Kalan Teoreminden çözümün
x a mod 4 5 7
biçiminde olacağını biliyoruz.
Önce,
x 3 mod 4 x 2 mod 5
sistemini çözelim:
4 ile bölündüğünde 3 kalanını veren sayılar 4 5 20 ile bölündüğünde 3, 7, 11, 15 19 kalanlarını verebilirler.
Bunlardan 7’nin 5 ile bölümündeki kalan 2’dir.
Öyleyse, ikili sistemin çözümü x7 mod 20 dir.
Böylece, verilen üçlü sistem,
x 7 mod 20 x 4 mod 7
sistemine dönüşür.
20 ile bölündüğünde 7 kalanını veren sayılar 20 7 140 ile bölündüğünde 7, 27, 47, 67, 87, 107, 127 kalanlarını verebilirler. Bunlardan 67’nin 7 ile bölümündeki kalan 4’tür.
O hâlde, verilen sistemin çözümü:
x67 mod 140 ’tır.
!
Kalanları eşitleme yöntemi, modüllerin arala- rında asal olmadığı durumlarda da kullanılabilir.Bu durumda; çözümdeki modül, denkliklerdeki modüllerin OKEK’i olarak alınır. Ancak, bu durumda sistem çözümsüz olabilir.
Örnek – 4.102
x 1 mod 4 x 4 mod 5 x 1 mod 6
denkliklerini aynı zamanda sağlayan x tam sayılarını bulunuz.
Çözüm
4 ile bölündüğünde 1 kalanını veren sayılar 4 5 20 ile bölündüğünde 1, 5, 9, 13, 17 kalan- larını verebilir. Bunlardan 9’un 5 ile bölünündeki kalan 4’tür.
Öyleyse, x9 mod 20 ’dir.
20 ile bölündüğünde 9 kalanını veren sayılar
OKEK 20;6 60 ile bölündüğünde 9, 29, 49 kalanlarını verebilirler. Bunlardan 49’un 6 ile bölümündeki kalan 1’dir.
O hâlde sistemin çözümü, x49 mod 60’tır.
Modüler Aritmetik Muharrem Şahin
Etkinlik – 4.167
Aşağıda verilen denklik sistemlerini çözünüz.
a. x1 mod 3
x3 mod 5 b. x2 mod 3
x 1 mod 5 x 3 mod 7
c. x3 mod 12
x3 mod 40 d. x2 mod 5
x 1 mod 6 x 7 mod 8
e. x2 mod 8
x 2 mod 9 x 2 mod 12
f. x1 mod 3
x 1 mod 4 x 1 mod 5 x 0 mod 7
Etkinlik – 4.168
Aşağıdaki eşitlikleri sağlayan üç basamaklı en küçük A tam sayılarını bulunuz. (x, y, zZ) a. A5x17y3
b. A 4x16y17z1 c. A5x48y19z3 d. A3x25y18z
Alıştırmalar ve Problemler – 4.6
1.
Aşağıdaki sayıların, yanlarında verilen sayı- larla bölünmesindeki kalanları bulunuz.a. 371’in 6 ile b. 783’ün 8 ile c. 517 ’nin 12 ile d. 2007’nin 19 ile
2.
Aşağıdaki denkliklerden hangileri doğrudur?a. 1317 mod 5
b. 45 83 mod 8
c. 2783 mod 22
d. 52 13 mod 26
e. 2837 3647 mod 9
f. 33335 11115 mod 11
3.
Aşağıdaki denklikleri sağlayan en küçük x doğal sayılarını bulunuz.a. 5x43 mod 7
b. 27x7 mod 9
c. 3x11x mod 8
d. 2x24x mod 5
4.
Aşağıdaki sayıların 5, 6, 7, 8, 9 ve 11 ile bölünmesindeki kalanları bulunuz.a. 2343 b. 7788 c. 49 29 129 d. 293439 e. 9991399
f. 2550697032813582 g. 1312511571486959 h. 8786868773727273
5.
Aşağıdaki sayıların, yanlarında verilen sayı- larla bölünmesindeki kalanları bulunuz.
nN
a. 34n 3 ün 5 ile b. 412n 5 in 7 ile c. 724n 2 nin 13 ile d. 95n 1 in 6 ile e. 147n 3 ün 6 ile f. 1736n 2 nin 19 ile
6.
4. alıştırmada verilen sayılar onluk yazma düzeninde yazıldığında, birler basamaklarına hangi rakamlar gelir?7.
Z/m de a’nın çarpma işlemine göre tersi a1 ile gösterildiğine göre, aşağıda istenenleri bulunuz.a. Z/5 te 2 , 31 1 ve 41 b. Z/6 da 3 , 41 1 ve 51 c. Z/7 de 3 , 51 1 ve 61 d. Z/8 de 5 , 61 1 ve 71 e. Z/9 da 4 , 61 1 ve 81